基于赋权时空图的空天信息网络路由方法技术

本发明专利技术提出了一种基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，利用节点轨道运行具有周期性和规律性的特点，根据星历，将航天器运动周期分成若干个静态拓扑，并将链路带宽、时延、存储等资源作为权值构建赋权时空图模型，基于拓扑模型智能的从策略库中选取路由，能使路由更有效率，实现空天信息网络中高效可靠的数据传输。

Routing method of space-space information network based on weighted spatio-temporal graph

In this paper, a routing method of space-space information network based on weighted spatio-temporal graph is proposed. By utilizing the periodicity and regularity of node orbit operation, the spacecraft motion cycle is divided into several static topologies according to the ephemeris. The weighted spatio-temporal graph model is constructed with link bandwidth, delay, storage and other resources as weights, and is selected from the strategy library intelligently based on the topological model. Routing can make routing more efficient and realize efficient and reliable data transmission in space-time information network.

【技术实现步骤摘要】
基于赋权时空图的空天信息网络路由方法
本专利技术属于空天信息
，涉及空天环境中拓扑模型与路由算法，具体涉及一种基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，从而保障实时信息的快速传输、关键信息的可靠传输和大流量信息的高效传输。
技术介绍
空间信息网具有全球覆盖的能力，能够保证高速率传输和较宽的带宽，并支持灵活的、大规模的网络结构。其在组网方式、通信模式、资源能力等方面与基于基础设施的互联网具有很大差异，网络的空间尺度和时间尺度复杂，难以借用目前Internet、电信网络和传统无线网络相对成熟的组网技术。相比于常规网络基于静态拓扑可采用图模型与优化理论，由于空天信息网络涉及多种异构之间动态变化的节点连接，必须发展动态图模型与优化理论。受频谱和轨道等资源的限制及大时空跨度网络拓扑结构、高动态断续连通的网络环境，造成路由收敛困难、维护开销大，势必竞争有限的网络资源，另外卫星节点定制简化的体系结构，进一步造成传统的路由机制难以应用，为空天信息网路由算法提出了新的问题和挑战。在现有路由算法中，消息拷贝路由算法有单拷贝路由算法和多拷贝路由算法，但前者不能保证投递成功，后者容易浪费带宽和能量资源，同时时间片划分后的拓扑模型中，需要考虑网络连通及非连通情况下的不同路由策略。因此，急需研究出一种方案，能够适合于大时空尺度下星载网络拓扑结构模型并且能够进行自适应的智能路由。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题以及克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，利用节点轨道运行具有周期性和规律性的特点，根据星历，将航天器运动周期分成若干个静态拓扑，并将链路带宽、时延、存储等资源作为权值构建赋权时空图模型，基于拓扑模型智能的从策略库中选取路由，能使路由更有效率，实现空天信息网络中高效可靠的数据传输。本专利技术在空天信息网的信息传输中，应用基于赋权时空图的拓扑模型实现自适应路由方法包括以下步骤：步骤1：建立基于赋权时空图的拓扑模型；步骤2：基于时空图模型，进行自适应智能路由；针对网络所处的环境、阶段、自身状况和业务需求，基于赋权时空图构建的拓扑模型智能选择不同的路由策略。步骤2.1：在网络连通，节点冗余情况下，采用基于负载均衡并且编码感知的路由协议；步骤2.1.1：为避免盲目的应用网络编码而带来额外的计算开销，先选出适合网络编码的节点。采用基于节点入度、编码机会及干扰指数三者的评价指标判断节点是否适合于编码进行判断；步骤2.1.2：在背压路由策略中加入网络编码的概念，综合考虑编码收益以及网络负载情况，得出转发效能函数，作为路由判据的度量；步骤2.1.3：根据路由度量选择出适合于网络编码的路径；步骤2.2：在网络不连通，节点稀疏情况下，采用“基于转发概率散发+控制拷贝数量”的原则来进行路由算法的设计，利用改进的散发和等待路由，即于转发概率的散发和等待路由R-SNW；步骤2.2.1：基于概率散发；定义一个转发概率矢量SSV(SpraySummaryVector)，用来表示节点间报文的转发概率R。步骤2.2.2：基于控制拷贝数量；步骤3：结束。应了解，传统的背压路由策略是基于节点之间传输数据积压差的一种调度策略，随网络状态改变做到负载均衡，保障传输效率。因此，与现有技术相比，采用本专利技术可以实现以下的有益效果：1)根据卫星节点连接动态变化的特点，在时间域和空间域上计算得出时间T内的若干静态有向拓扑图，区别于现有常规网络，时间片是离散，不固定的，能够根据卫星节点运动情况及连接情况作相应调整；2)本专利技术在时空图基础上将链路带宽、丢包率、时延等资源作为权值构建赋权模型，提高被选路径的可靠性，从而避免频繁的路由计算带来的开销；3)针对卫星节点的连接变化，路由策略的制定分为连通及非连通两种情况。4)连通情况下，专利技术通过编码感知选择合适编码节点，避免盲目编码带来额外计算开销；在此基础上，综合编码收益与网络负载得出路由判据，保障不同网络状态下的传输效率；5)非连通状态下，专利技术概率散发等待路由策略，避免了网络分割现象出现导致单拷贝报文投递失败，多拷贝报文带来的带宽和缓存空间的浪费，使其适用于动态变化及能量受限的空天信息网中，既保证传输的可靠性又节约网络带宽和能量，提高网络性能。可见，采用本专利技术的路由方案，使得路由收敛相对容易，并且能够进一步减少维护开销，从而保障了实时信息的快速传输、关键信息的可靠传输和大流量信息的高效传输。附图说明图1是本专利技术具体实施方式所涉及的时空图拓扑模型的示意图；图2是本专利技术具体实施方式中使用的空间信息网蝶形网络拓扑的示意图；图3是本专利技术具体实施方式所涉及的源节点和中继节点的缓存队列状态的示意图；图4是本专利技术具体实施方式所涉及的干扰情况的示意图；图5是本专利技术具体实施方式所涉及的R-SNW示意图。具体实施方式应了解，本专利技术主要由基于赋权时空图的拓扑模型和自适应智能路由组成，其利用节点轨道运行具有周期性和规律性的特点，根据星历，将航天器运动周期分成若干个静态拓扑，空天信息网节点在离散时间片内的静态拓扑建立时空图，并将链路带宽、时延、存储等资源作为权值构建赋权时空图模型，基于拓扑模型智能的从策略库中选取路由，能使路由更有效率，实现空天信息网络中高效可靠的数据传输。下面结合附图1-5及具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如附图所示，本专利技术的基于赋权时空图的空天信息网络路由方法包括如下步骤：步骤1：建立基于赋权时空图的拓扑模型。上述的时空图是一个同时在时间域和空间域表示节点变化的有向拓扑图。根据星历，将航天器运动周期即每个重复周期T分成n个静态拓扑图。用静态拓扑图来模拟空间信息网络中的中继卫星节点和用户航天器节点随时间的动态变化情况，在每个时间点上预测到的静态拓扑图表示网络中用户航天器节点与中继卫星节点之间的连接。在获得静态拓扑图后，将静态拓扑图按照规则转化为时空图模型。时空图模型表示了一个周期T内空间信息网络中用户航天器节点与中继卫星节点之间的连接随时间的变化情况。如图1所示，给出了时空图拓扑模型，其中时隙内箭头表示该时刻卫星节点连接情况，时隙间箭头表示卫星节点连接变化情况。时空图的主要思想是建立一张分层的图，每一层在网络的生存期即两个相邻时间点的时间片对应于一个离散时间，时间片长度不固定，与用户航天器节点和中继卫星节点之间的链接变化有关，可以根据用户航天器的移动规律性和移动性计算得到，并对这些链路进行时间片的划分。在每一层时间点上的静态拓扑图中，用户航天器节点与中继卫星节点可能是不连通的，即节点对间可能不存在路径，这时用户航天器节点不能向中继卫星节点发送数据，只有在每一层时间点上的静态拓扑图中用户航天器节点与中继卫星节点是连通的情况下，用户航天器节点才能向中继卫星节点发送数据。基于以上建立的时空图，本专利技术为了提高路由协议的性能，同时避免空天信息网拓扑动态变化引起频繁的路由计算带来的开销等问题，将链路带宽、丢包率、时延等资源作为权值构建赋权时空图模型，从而提高被选路径的可靠性，有效性和负载均衡性,以及整个网络的吞吐量。根据星历，将航天器运动周期即一个重复周期T分成时间上离散的静态拓扑图，在每个时间点上预测到的静态拓扑图表示网络中用户航天器节点与中继卫星节点之间的连接。在获得静态拓扑图后，将静态拓扑图按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，获得静态拓扑时空图，并按照预定规则将其转化为赋权时空图的拓扑模型；步骤二，基于所述赋权时空图的拓扑模型，执行自适应、多策略的智能路由，其中，所述预定规则为，将链路带宽、丢包率、时延作为赋权的权值。

【技术特征摘要】
1.一种基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，获得静态拓扑时空图，并按照预定规则将其转化为赋权时空图的拓扑模型；步骤二，基于所述赋权时空图的拓扑模型，执行自适应、多策略的智能路由，其中，所述预定规则为，将链路带宽、丢包率、时延作为赋权的权值。2.根据权利要求1所述的基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述静态拓扑时空图用于模拟在所述空天信息网络中的中继卫星节点和用户航天器节点随时间的动态变化情况，在每个时间点上预测到的静态拓扑图用于表示在所述空天信息网络中的用户航天器节点与中继卫星节点之间的连接。3.根据权利要求2所述的基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，其特征在于，所述步骤一包括：所述空天信息网络中的节点，在离散时间片内的静态拓扑建立静态拓扑时空图；将所述链路带宽、所述丢包率、所述时延作为赋权的权值，形成所述赋权时空图的拓扑模型，其中，所述赋权时空图的拓扑模型用于表示在预定周期内、所述空天信息网络中的用户航天器节点与中继卫星节点之间的连接随时间的变化情况。4.根据权利要求3所述的基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，其特征在于，在所述步骤二中，针对所述空天信息网络所处的环境、阶段、自身状况和业务需求，基于所述赋权时空图的拓扑模型，只能选择不同的路由策略。5.根据权利要求4所述的基于赋权时空图的空天信息网络路由方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：S201，在所述空天信息网络连通、节...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梦源，李周，耿蓉，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11